La convección forzada combinada y la convección natural , o convección mixta , ocurre cuando la convección natural y los mecanismos de convección forzada actúan juntos para transferir calor. Esto también se define como situaciones en las que interactúan tanto las fuerzas de presión como las fuerzas de flotación . [1] La contribución de cada forma de convección a la transferencia de calor está determinada en gran medida por el flujo, la temperatura , la geometría y la orientación. La naturaleza del fluido también influye, ya que el número de Grashofaumenta en un fluido a medida que aumenta la temperatura, pero se maximiza en algún punto para un gas . [2]
Caracterización
Los problemas de convección mixta se caracterizan por el número de Grashof (para la convección natural) y el número de Reynolds (para la convección forzada). El efecto relativo de la flotabilidad sobre la convección mixta se puede expresar mediante el número de Richardson :
Las escalas de longitud respectivas para cada número adimensional deben elegirse en función del problema, por ejemplo, una longitud vertical para el número de Grashof y una escala horizontal para el número de Reynolds. Los pequeños números de Richardson caracterizan un flujo dominado por convección forzada. Números de Richardson superiores aindican que el problema del flujo es pura convección natural y que se puede despreciar la influencia de la convección forzada. [3]
Como ocurre con la convección natural, la naturaleza de un flujo de convección mixto depende en gran medida de la transferencia de calor (ya que la flotabilidad es uno de los mecanismos impulsores) y los efectos de la turbulencia juegan un papel importante. [4]
Casos
Debido a la amplia gama de variables , se han publicado cientos de artículos para experimentos que involucran varios tipos de fluidos y geometrías. Esta variedad dificulta la obtención de una correlación completa y, cuando lo es, suele ser para casos muy limitados. [2] Sin embargo, la convección natural y la convección combinada se pueden describir generalmente de tres maneras.
Convección mixta bidimensional con flujo auxiliar
El primer caso es cuando la convección natural ayuda a la convección forzada. Esto se ve cuando el movimiento de flotación está en la misma dirección que el movimiento forzado, acelerando así la capa límite y mejorando la transferencia de calor. [5] Sin embargo, la transición a la turbulencia puede retrasarse. [6] Un ejemplo de esto sería un ventilador que sopla hacia arriba en una placa caliente. Dado que el calor aumenta naturalmente, el aire que se fuerza hacia arriba sobre la placa se suma a la transferencia de calor.
Convección mixta bidimensional con flujo opuesto
El segundo caso es cuando la convección natural actúa en sentido contrario a la convección forzada. Considere un ventilador que fuerza el aire hacia arriba sobre un plato frío. [5] En este caso, la fuerza de flotación del aire frío hace que caiga naturalmente, pero el aire que se fuerza hacia arriba se opone a este movimiento natural. Dependiendo del número de Richardson, la capa límite en la placa fría exhibe una velocidad más baja que la corriente libre, o incluso acelera en la dirección opuesta. Por lo tanto, este segundo caso de convección mixta experimenta un fuerte cizallamiento en la capa límite y rápidamente pasa a un estado de flujo turbulento.
Convección mixta tridimensional
El tercer caso se conoce como convección mixta tridimensional. Este flujo ocurre cuando el movimiento de flotación actúa perpendicular al movimiento forzado. Un ejemplo de este caso es una placa plana vertical caliente con un flujo horizontal, por ejemplo, la superficie de un receptor central térmico solar. Mientras que la corriente libre continúa su movimiento a lo largo de la dirección impuesta, la capa límite en la placa acelera en la dirección ascendente. En este caso de flujo, la flotabilidad juega un papel importante en la transición laminar-turbulenta, mientras que la velocidad impuesta puede suprimir la turbulencia (laminarización) [4]
Cálculo de la transferencia de calor total.
Simplemente sumando o restando los coeficientes de transferencia de calor para la convección forzada y natural producirá resultados inexactos para la convección mixta. Además, como la influencia de la flotabilidad en la transferencia de calor a veces incluso excede la influencia de la corriente libre, la convección mixta no debe tratarse como convección forzada pura. En consecuencia, se requieren correlaciones específicas del problema. Los datos experimentales han sugerido que
puede describir la transferencia de calor promediada por área. [7]
Aplicaciones
La convección forzada y natural combinada se ve a menudo en dispositivos de salida de muy alta potencia donde la convección forzada no es suficiente para disipar todo el calor necesario. En este punto, la combinación de la convección natural con la convección forzada proporcionará a menudo los resultados deseados. Ejemplos de estos procesos son la tecnología de reactores nucleares y algunos aspectos del enfriamiento electrónico. [2]
Referencias
- ^ Sol, Hua; Ru Li; Eric Chenier; Guy Lauriat (2012). "Sobre el modelado de ayudas a la convección mixta en canales verticales" (PDF) . Revista Internacional de Transferencia de Calor y Masa . 48 (7): 1125-1134. Código bibliográfico : 2012HMT .... 48.1125S . doi : 10.1007 / s00231-011-0964-8 .
- ^ a b c Joye, Donald D .; Joseph P. Bushinsky; Paul E. Saylor (1989). "Transferencia de calor por convección mixta en un número alto de Grashof en un tubo vertical". Investigación en Química Industrial y de Ingeniería . 28 (12): 1899-1903. doi : 10.1021 / ie00096a025 .
- ^ Gorrión, EM; Eichhorn, R .; Gregg, JL (1959). "Convección libre y forzada combinada en un flujo de capa límite". Física de fluidos . 2 (3): 319–328. Código Bibliográfico : 1959PhFl .... 2..319S . doi : 10.1063 / 1.1705928 .
- ^ a b Garbrecht, Oliver (23 de agosto de 2017). "Gran simulación de remolino de convección mixta tridimensional en una placa vertical" (PDF) . Universidad RWTH Aachen .
- ^ a b Cengal, Yunus A .; Afshin J. Ghajar (2007). Transferencia de calor y masa (4 ed.). McGraw-Hill. págs. 548–549. ISBN 978-0-07-339812-9.
- ^ Abedin, MZ; Tsuji, T .; Lee, J. (2012). "Efectos de la corriente libre sobre las características de las capas límite impulsadas térmicamente a lo largo de una placa plana vertical calentada". Revista Internacional de Flujo de Fluidos y Calor . 36 : 92-100. doi : 10.1016 / j.ijheatfluidflow.2012.03.003 .
- ^ Siebers, DL (1983). Transferencia de calor por convección mixta experimental desde una gran superficie vertical en un flujo horizontal . Doctor. tesis, Universidad de Stanford.